FAC. DE INGINERIE MECANICA

Cat. de Autovehicule şi Motoare

PROIECT

LA SOLUTII NOI LA MOTOARELE CU

ARDERE INTERNA

SNMAI

Tema: Solutii pentru reducerea frecarii

dintre componentele mecanismului

motor:segmenti-piston-cilindru

Capitolul I

Odată cu evoluţia tehnică, construcţia şi geometria segmenţilor,

cilindrului şi a pistonului, împreună cu materialele din care sunt

confecţionate acestea precum şi tehnologiile aferente, s-au perfecţionat

continuu.

Motoarele moderne sunt mai puţin poluante, lucrează la temperaturi

şi presiuni mai mari şi, mai ales, sunt mult mai durabile. Singurul lucru

care nu s-a schimbat este funcţia de bază a segmenţilor. Şi în prezent

aceştia sunt cei care asigură o comprimare corespunzătoare, reduc efortul

termic al pistonului, contribuind la evacuarea unei importante părţi a

căldurii preluată de acesta, împiedică pătrunderea gazelor în carter şi

controlează ungerea ansamblului, realizând împreună cu cilindrul o cuplă

de frecare de clasa a III-a care asigură în acelaşi timp ghidarea ansamblului

piston în mişcarea sa alternativă.

CAPITOLUL II

UZAREA SI EFECTELE EI

Uzarea este procesul fizic (a uza-uzare), iar uzura este produsul,

rezultatul uzarii. Suprafata pieselor mecanice, indiferent de procesul de

prelucrare si finisare, prezinta numeroase asperitati, care devin vizibile sub

microscop. Cand doua asemenea suprafete A si B aluneca una spre cealalta

, asperitatile lor vin in contact unele cu altele, ducand la incalzirea si la

aparitia fenomenului de uzare.

La interpunerea unui lubrifiant intre cele doua suprafete, ele pot fi

mentinute la o anumita distanta, dar, datorita sarcinilor si vitezelor lor

variate, unele din asperitati pot ajunge in contact direct.

Metalele, cu exceptia celor ce lucreaza in vid sau in atmosfera de gaz

inert, se acopera cu un strat subtire de oxid, care contribuie la reducerea

uzarii. Daca tangenta a doua asperitati aflate in contact direct este mai mica

de 1 grad, apar deformatii plastic. Stratul de oxid poate fi inlaturat in acest

caz, dar se reface imediat impiedicand astfel aparitia uzarii. In acest caz,

stratul de oxid actioneaza la inceput ca un film de EP (extreme pressure).

Daca insa panta asperitatilor in contact depaseste 1 grad si asperitatile sunt

bine reliefate, ele vor intra in coliziune, vor distruge filmul de oxid, se vor

suda instantaneu intre ele si apoi se vor rupe. Este putin probabil ca ruptura

asperitatilor sa aiba loc de-a latul sudurii, atata timp cat majoritatea

metalelor sunt mai putin rezistente decat sudura. De aceea, particulele de

metal se desprind de pe una din suprafete, adaugandu-se celeilalte. Acest

fenomen mareste efectiv asperitatile celor doua suprafete care vor intra

ulterior in contact si vor provoca noi ruperi. Prin indepartarea succesiva a

metalului de pe suprafata pieselor in contact apare uzura. In cazurile

extreme de coliziune a asperitatilor si de degajare de caldura poate sa apara

distrugerea celor doua suprafete. In conditiile unei ungeri hidrodinamice,

grosimea normala a filmului de ulei este cuprinsa intre 0,01 si 0,0001 mm.

Filmul de ulei poate avea grosimea de 10-6 mm in cazul suprafetelor bine

finisate, cum sunt cele ale rotilor dintate sau ale lagarelor de rostogolire.

Grosimea stratului de oxid la cele mai multe suprafete din otel ale lagarelor

de rostogolire este de aproximativ 10-8 mm.

Ungerea lagarelor de alunecare, a lagarelor de rostogolire si a

angrenajelor care efectueaza miscare de rotatie, precum si a pistoanelor si

cilindrilor in miscare de translatie, pune problem deosebite.

Cauzele uzarii

Uzarea pieselor metalice se datoreaza, in special, proceselor de coroziune,

de abraziune si de adeziune. La uzura unor piese, cum sunt cuzinetii

camele si tachetii motoarelor sau angrenajelor, poate interveni fenomenul

de oboseala.

Uzarea corosiva

Uzarea corosiva constituie cauza principala a uzurii motoarelor, in special

a celor care folosesc combustibili cu continut mare de sulf. Uzarea cea mai

grava se datoreaza coroziunii de tip umed, cand este prezenta apa. Apa

provine din sistemul respectiv in faza dispersata (cum este cea condensata

din gazele de ardere scapate in carter) sau din umezeala atmosferica.

Coroziunea care apare in aceste cazuri este de natura electrochimica si

consta in formarea unor pile galvanice pe suprafata metalelor .

CAPITOLUL III

Solicitarile segmentilor

Alaturi de solicitarile mecanice produse de reactiunile elastice din segment, acesta mai este supus la insemnate solicitari termice. Dintre toti

segmentii, cel superior (dinspre pmi) are nivelul termic cel mai ridicat,

deoarece vine in contact cu gazele fierbinti si cu portiunea cea mai calda a

pistonului. De aceea, el este numit si segmentul de foc.

Temperatura segmentului variaza radial, avand valoarea minima pe

suprafata de contact, pe directia axiala temperatura segmentului fiind

practic constanta. Urmarind deplasarea fluxului termic prin segment (fig

1), se observa ca un rol deosebit il joaca suprafetele de contact

ale segmentului si deci, variatia convenabila a

caldurii evacuate din piston se obtine modificand

cele doua dimensiuni principale ale segmentului,

a si h.

Procesul de uzura a segmentului are trei

aspecte fundamentale:

a) uzura adevarata sau de contact;

b) uzura abraziva; Figura 1

c) uzura coroziva.

Cazurile de uzura prin oboseala sunt foarte rare.

Fata de pozitia optima a segmentului in canal (fig 2 a), se pot ivi abateri de provocate de dezaxarea pistonului in

cilindru datorita jocurilor (fig. 2 b si c), de inclinarea flancurilor canalului fata de planul normal de la axa

cilindrului (fig.2. d),

Fig. 2.

de dilatarea sau uzarea cilindrului (fig. 33. e) sau de toate acestea la un loc. Deformarea segmentului si uzura lui

(fig. 33. f si g) impiedica, de asemenea, contactul perfect pe suprafata de lucru. Se intelege ca asemenea abateri,

micsorand suprafata de contact, reduc si eficienta etansarii.

Materiale de fabricatie

Materialul pentru segmenti trebuie sa posede urmatoarele proprietati:

a) calitati bune de alunecare, pentru a atenua pierderile mecanice

in conditiile frecarii semifluide si pentru a preveni gripajul;

b) duritate ridicata, pentru a prelua sarcinile mari de contact si

pentru a rezista la uzura coroziva si abraziva;

c) rezistenta la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor

chimice si electrochimice;

d) rezistenta mecanica la temperaturi relativ mari, pentru a realiza

un segment usor, de dimensiuni reduse;

e) modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari,

invariabil in timp, pentru a preveni vibratiile;

f) calitati bune de adaptabilitate rapida la forma cilindrului.

Nu exista materiale care sa satisfaca simultan cerintele enumerate.

Otelul este impropriu, intrucat nu poseda calitati satisfacatoare de

alunecare, fiind folosit doar cand sunt necesare rezistente mecanice sporite.

Cel mai des intalniti sunt segmentii din fonta. Fonta trebuie sa contina, ca

orice material antifrictiune, doua faze: o faza dura, cu rezistenta mecanica

inalta, pentru a prelua sarcinile de contact si o faza moale, cu rezistenta

mica la deformatia plastica, ceea ce asigura proprietatea antigripanta a

materialului. Fonta pentru segmenti care satisface bine cerintele unui

material antifrictiune este fonta cenusie perlitica, cu grafit lamelar.

Segmentii sunt realizati din fonta, prin turnare sau din banda de otel

prin stantare. Unii segmenti din fonta se cromeaza poros la exterior pentru

a le creste rezistenta la uzura si pentru a retine în porozitati ulei pentru

ungere. O caracteristica foarte importanta a materialelor pentru segmenti

este elasticitatea.

În timpul exploatarii segmentii se uzeaza, îsi pierd elasticitatea, se

pot bloca în canalul portsegment sau se pot rupe. Toate acestea compromit

mai mult sau mai putin etansarea precum si celelalte functii ale segmentilor

si se manifesta prin: pierderi de putere a motorului, consum ridicat de ulei,

fum albastru la esapament, ancrasarea bujiilor, cocsarea injectoarelor,

acoperirea cu calamina a peretilor camerei de ardere, zgârierea oglinzii

cilindrilor, zgomote si vibratii...

Materialele utilizate sunt fonta cenuşie cu structura perlitică (faza

dură) şi grafit lamelar distribuit uniform, în special datorită proprietăţilor

antifricţiune bune, şi fonta cu grafit nodular, care are proprietăţi mecanice

mai bune în defavoarea celor antifricţiune. În scopul măririi rezistenţei la

uzură şi la coroziune şi a îmbunătăţirii adaptabilităţii pe oglinda cilindrului,

la segmenţi se practică aplicarea unor acoperiri de suprafaţă, cum ar fi

fosfatarea şi feroxidarea, cositorirea şi plumbuirea, cromarea poroasă,

acoperirile cu molibden, etc.

În timpul functionarii pistonul este supus la diverse solicitari datorate

conditiilor de presiune si temperatura din motor. Fortele care actioneaza

asupre lui determina cresterea frecarilor dintre piston si cilindru. Trebuie

stiut ca aceasta cupla de frecare (piston - cilindru) prezinta carente, uneori

mari, de ungere. În partea superioara a cursei pistonului ungerea este

aproape compromisa deoarece uleiul de pe peretele cilindrului este ars la

fiecare ciclu motor. Tot în acea zona cantitatea de ulei este mica iar

presiunile sunt cele mai mari. Ca urmare lucrul mecanic de frecare este

destul de mare si determina uzuri însemnate. Se cauta diverse metode de a

reduce frecarea si pentru mentinerea unei pelicule de ulei pe peretele

cilindrului. Astfel s-au realizat pistoane din materiale din ce în ce mai

bune, plecând de la pistoanele din fonta apoi cele din aluminiu, la cele

ceramice sau alte materiale compozite. si uleiurile de motor au evoluat în

ultima vreme. S-a ajuns de la uleiurile minerale neaditivate (monograde) la

uleiuri minerale aditivate, la aditivi care realizeaza pelicule persistente pe

peretii cilindrului si pâna la uleiurile sintetice actuale cu performante foarte

ridicate.

CAPITOLUL IV

SOLUTII NOI

Fosfatarea segmentilor de piston

Aceastã acoperire superficialã de culoare neagrã este în concordantã cu

cerinþele impuse motorului, pentru toate tipurile de segmenti din otel sau

fontã. Desi stratul de acoperire este foarte subtire (câtiva microni) acesta

oferã urmãtoarele avantaje:

- protejeazã segmentul împotriva arderii;

- reduce frecarea dintre piston si cilindru datoritã proprietãtilor lubrifiante;

- reduce uzura pe suprafatã si profil, în special pentru fonta cu grafit

nodular ;

- imbunãtãteste alunecarea pistonului în primele câteva ore de utilizare (la

rodaj);

- imbunãtãteste etansarea segmentilor la compresoarele de aer.

Informatii generale privind montajul segmentilor:

Calitatea si înalta precizie a segmentilor de acest tip” asigurã succesul

reparãrii motoarelor.”

Cilindrul nu trebuie sã fie uzat peste urmãtoarelor limite:

- 0,10 mm pentru diametre pânã la 80mm

- 0,15 mm pentru diametre de la 80,01 la 100mm

- 0,20 mm pentru diametre peste 100,01mm

Conditiile de suprafata ale cilindrului trebuiesc corectate dacã este necesar.

Ca regulã generalã nu trebuie sã existe nici un risc care sãafecteze

functionarea normalã a segmentilor. Dacã este zgâriat nu trebuie folosit.

Recomandãrile producatorului autovehiculului trebuie urmate si respectate

cu strictete.

SEGMENTI LKZ

Producatorul de componente auto Federal Mogul a lansat segmentul de

motor LKZ din gama Goetze, pentru ungerea motorului, care reduce

consumul de ulei cu pana la 50% comparativ cu segmentii conventionali,

frecarea fiind si ea redusa cu 15%.

Conceput pentru motoare echipate cu tehnologie LKZ de la bun inceput,

segmentul asigura o tensiune scazuta care permite reducerea frecarii dintre

perete (camasa) si segment. Acest fapt imbunatateste nu doar consumul de

combustibil, dar si performanta si durata de viata a masinii.

Impactul noului tip de segment Goetze pe piata pieselor de schimb a fost

recent recunoscut in cadrul premiilor Automotive News PACE Awards,

fiind premiat la categoria produse inovative .

Durabilitatea noului segment Goetze LKZ si performanta acestuia a fost

dovedita pe motoare diesel testate o perioada lunga de timp, iar acum

segmentul este introdus ca echipament standard la mai multe motoare pe

benzina ale constructorilor de vehicule.

Pe masura ce motoarele cu injectie directa devin mai comune, segmentii

de piston LKZ ajung sa joace un rol tot mai important pe piata pieselor de

schimb pentru prim montaj (OE).

Noua tehnologie consta in designul deosebit al suprafetelor de sprijin ale

segmentului, in trepte si tesite in zona muchiei de contact.

Spre deosebire de segmentii conventionali, tehnologia LKZ asigura mai

putina rezistenta cand pistonul este in cursa de compresie, reducand

pierderile prin pompare. Acest mecanism reduce pierderile generate de

frecare si readuce uleiul in baia de ulei intr-o maniera eficienta.

In functie de nivelul de uzura acceptat de catre producatorii de motoare,

segmentii LKZ utilizeaza o varietate de tratamente de suprafata. Printre

acestea sunt si tratamentele CKS (acoperire ceramica cromata) si GDC

(Goetze Diamond Coating), care protejeaza periferia inelului impotriva

frecarii, minimizand uzura si permitand segmentului de ungere sa

functioneze corect pe intreaga durata de viata a motorului.

Figura 3. Diferenta dintre segement conventional si cel LKZ

Figura 4 Segment LKZ

DLC

Nissan a redus substantial frecarea intre piesele motorului dezvoltand

prima tehnologie la nivel mondial care combina un lac pe baza de carbon

fara hidrogen asemanator cu diamantul cu un ulei special.

1 DLC (diamond like carbon): o pelicula tare din carbon care proprietati

similare cu diamantul. Are o rezistenta abraziva superioara si un coeficient

de frecare scazut.

Datorita frecarii care are loc intre sutele de piese care formeaza un motor

se pierde energie. Aceasta tehnologie cu frecare ultra-scazuta foloseste

nano-tehnologia pentru a reduce frecarea. Ea reduce frecarea cu

aproximativ 40% comparativ cu motoarele conventionale, formand o

pelicula cu frecare ultra-scazutade grosime nanometrica deasupra stratului

fara hidrogen asemanator diamantului.

Cum functioneaza

Utilizarea unui strat asemanator cu diamantul fara hidrogen imbunatateste

legatura cu uleiul de motor, rezultand in formarea unei pelicule ferme, cu

frecare ultra-scazuta, atunci cand se adauga aditivi de ulei speciali. Este

acum posibil sa se reduca frecarea totala a motorului cu 25% prin aplicarea

tehnologiei la fusta de piston, bolt si supape.

Tehnologia aceasta este disponibila pe modele cum ar fi Nissan 350Z

Figura5: NISSAN 350Z

Figura6: COMPONENTE DLC(pistoane, segmenti, bolt)